張子祥 許雁超 張樹(shù)偉 柳金旺

(1.河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司礦山設(shè)計(jì)院，河北 唐山 063700；2.河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司廟溝鐵礦，河北 秦皇島 066501；3.河鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063000)

0 引言

截止2018年底，廟溝鐵礦露天采場(chǎng)最低標(biāo)高為372 m，邊坡高度平均247.5 m，非工作幫邊坡角平均44.5°，在減產(chǎn)期(2020年1月～2022年底)，對(duì)掛幫礦實(shí)施提前開(kāi)采以緩解產(chǎn)量銜接難題。開(kāi)采掛幫礦時(shí)期面臨最大技術(shù)難題是：①工程技術(shù)背景復(fù)雜；②邊坡變形及是否有序塌落問(wèn)題；③掛幫礦安全開(kāi)采研究所采取的技術(shù)思路?；诖?，為解決掛幫礦開(kāi)采技術(shù)難題，特選課題“中強(qiáng)風(fēng)化高陡邊坡掛幫礦安全開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”進(jìn)行掛幫礦安全開(kāi)采研究。

1 研究思路

為解決廟溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下規(guī)模接續(xù)問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)掛幫礦安全開(kāi)采和邊坡有序塌落提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為轉(zhuǎn)地下開(kāi)采起示范作用，確定研究思路如下：

1)確定項(xiàng)目研究主要內(nèi)容:①掛幫礦資源條件；②掛幫礦開(kāi)采技術(shù)條件；③掛幫礦開(kāi)采研究；④露天采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性研究；⑤掛幫礦安全開(kāi)采方案。

2)以分析掛幫礦資源條件和掛幫礦開(kāi)采技術(shù)條件為基礎(chǔ)，進(jìn)行掛幫礦開(kāi)采可行性研究[1]。

3)從10個(gè)方面入手進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性研究，包括露天采場(chǎng)邊坡工程地質(zhì)勘查、采場(chǎng)邊坡巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算、露天采場(chǎng)邊坡分化破碎帶測(cè)試、露天采場(chǎng)邊坡結(jié)構(gòu)面調(diào)查、露天采場(chǎng)邊坡巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)、邊坡穩(wěn)定性計(jì)算、邊坡安全系數(shù)計(jì)算、邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果分析、采空區(qū)上覆巖體自穩(wěn)能力評(píng)價(jià)、成果結(jié)論，并以此為依據(jù)，提出掛幫礦安全開(kāi)采方案。

4)確定項(xiàng)目研究預(yù)期目標(biāo):①為掛幫礦安全開(kāi)采提供技術(shù)依據(jù)；②露天轉(zhuǎn)地下過(guò)渡期有效回采372～420 m水平西部掛幫礦約231萬(wàn)t，預(yù)計(jì)露天轉(zhuǎn)地下共采出掛幫礦356.98萬(wàn)t，預(yù)測(cè)總經(jīng)濟(jì)效益2.5億元，同時(shí)產(chǎn)生一定的生態(tài)環(huán)境效益、安全效益和社會(huì)效益。③提出復(fù)雜工程背景下露天轉(zhuǎn)地下過(guò)渡期(2020～2022年)掛幫礦安全開(kāi)采方案。

2 關(guān)鍵技術(shù)理論

2.1 掛幫礦特征與資源量估算

1)通過(guò)運(yùn)用基礎(chǔ)地質(zhì)學(xué)、礦物學(xué)、巖石學(xué)理論、外業(yè)地質(zhì)觀察研究掛幫礦資源條件包括礦體特征、礦石質(zhì)量特征(礦石礦物成分、礦石化學(xué)成分、礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦石類(lèi)型與品級(jí)和礦體圍巖與夾石)。

2)運(yùn)用礦物加工工程學(xué)原理、選礦工藝學(xué)原理探討礦石加工技術(shù)性能。

3)用傳統(tǒng)方法與3Dmine相結(jié)合建立掛幫礦體模型，并進(jìn)行掛幫礦量估算。

2.2 掛幫礦開(kāi)采可研

1)根據(jù)水文地質(zhì)學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)原理探討掛幫礦開(kāi)采技術(shù)條件，確定水文地質(zhì)類(lèi)型。

2)根據(jù)采礦工程學(xué)理論和對(duì)比分析方法確定掛幫礦開(kāi)采方式、開(kāi)拓方式、采礦方法確定及掛幫礦回采順序。

3)根據(jù)水文地質(zhì)學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)原理進(jìn)行露天采場(chǎng)邊坡工程地質(zhì)分區(qū)勘查，對(duì)球狀風(fēng)化及片理化等地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行深入分析、攝制照片或制圖。

2.3 邊坡穩(wěn)定性研究

1)露天采礦場(chǎng)邊坡巖石單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算。依據(jù)1995年國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《巖體工程分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，按巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rc=22.82Is(50)0.75計(jì)算。

2)進(jìn)行采場(chǎng)邊坡結(jié)構(gòu)面調(diào)查。露天采場(chǎng)西邊坡巖體中Ⅳ、Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面存在百分比較大，極大影響邊坡巖體的完整性，控制了邊坡巖體的破壞形式。本次結(jié)構(gòu)面調(diào)查采用的是ShapeMetriX 3D測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)試成果節(jié)理體密度(條/m3)，東邊幫4～8線(xiàn)2.502(條/m3)、西邊幫1～7線(xiàn)由于巖石及其破碎，未得準(zhǔn)確結(jié)果、西邊幫8～10線(xiàn)3.6(條/m3)、西邊幫4～6線(xiàn)2.386(條/m3)、西邊幫1～4線(xiàn)2.686(條/m3)。

3)對(duì)露天采場(chǎng)邊坡風(fēng)化破碎帶測(cè)試[2]。根據(jù)聲波在巖石中的縱波傳遞速度與巖石的完整性及強(qiáng)度成正比原理，為配合波速測(cè)量，在西邊坡564 m水平和516 m水平共布設(shè)了6個(gè)鉆孔。

4)露天采場(chǎng)邊坡巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)[3]。根據(jù)巖石性質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)和巖體中結(jié)構(gòu)面發(fā)育差異，選擇巖體基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ)為巖體質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合根據(jù)上節(jié)采場(chǎng)邊坡工程地質(zhì)分區(qū)勘查、采場(chǎng)邊坡巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、風(fēng)化破碎帶測(cè)試分析和采場(chǎng)邊坡結(jié)構(gòu)面調(diào)查及分析結(jié)果(節(jié)理體密度)，選取西邊幫564 m水平邊坡8～10、4～6線(xiàn)、1～4線(xiàn)和東邊幫516 m水平4～8線(xiàn)、西邊幫1～3線(xiàn)邊坡作為代表性分析評(píng)價(jià)對(duì)象，確定廟溝鐵礦邊坡巖體基本質(zhì)量指標(biāo)。

5)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算:①計(jì)算方法確定。對(duì)采礦場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡的安全系數(shù)計(jì)算方法選擇國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《冶金礦山采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50830-2013中極限平衡法中的“瑞典條分法”、“簡(jiǎn)化畢肖普法(Simplified Bishop)”和“簡(jiǎn)布法(Janbu)”三種計(jì)算方法，計(jì)算分析軟件采用“北京理正巖土軟件包中的邊坡穩(wěn)定分析軟件”。②計(jì)算剖面選擇。本次對(duì)于露天采礦場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定性分析計(jì)算剖面系在由廟溝鐵礦地勘作業(yè)區(qū)于2019年1月26日實(shí)測(cè)的《廟溝鐵礦采剝現(xiàn)狀圖》(電子版，比例尺1:1000)基礎(chǔ)上分別選擇西邊幫、東邊幫和南端幫有代表性的地段而進(jìn)行的，共計(jì)12條計(jì)算剖面，其中，西邊幫5條(剖面編號(hào)1#～5#)、南端幫2條(剖面編號(hào)6#～7#)、東邊幫5條(剖面編號(hào)8#～12#)。現(xiàn)狀露天采場(chǎng)邊坡各計(jì)算剖面中非工作幫的風(fēng)化層破碎帶厚度約在10～15 m左右。

6)采空區(qū)上覆風(fēng)化邊坡及巖體自穩(wěn)能力評(píng)估。3Dmine礦業(yè)工程軟件與傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性研究成果相結(jié)合，根據(jù)技術(shù)報(bào)告表采用3Dmine軟件構(gòu)建掛幫礦采空區(qū)模型，結(jié)合掛幫礦開(kāi)采后形成的采空區(qū)及上覆巖體的空間分布幾何特征，依據(jù)GB/T50218-2014《中華人民共和國(guó)工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行廟溝鐵礦采空區(qū)上覆巖體自穩(wěn)能力評(píng)估，廟溝鐵礦掛幫礦采空區(qū)上覆巖體自穩(wěn)能力評(píng)估匯總表。松動(dòng)變形區(qū)兩個(gè)，分別是西邊幫南區(qū)采空區(qū)6～8線(xiàn)、2～4線(xiàn)；變形塌落區(qū)3個(gè)，分別是西邊幫南區(qū)4～6線(xiàn)、西邊幫北區(qū)0～3線(xiàn)、東邊幫0～6線(xiàn)；基本穩(wěn)定3個(gè)，分別是南端幫10線(xiàn)、東邊幫0～1、6～8線(xiàn)；穩(wěn)定區(qū)1個(gè)，是東邊幫8～10線(xiàn)。

7)成果結(jié)論。雖然廟溝鐵礦露天采場(chǎng)枯水期現(xiàn)狀邊坡的安全系數(shù)計(jì)算值能滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范要求，但是東、西兩幫部分空區(qū)邊坡在飽水狀態(tài)下處于極限平衡狀態(tài)，尤其西幫4線(xiàn)以北區(qū)域陽(yáng)起石片理化帶，面對(duì)強(qiáng)降雨及爆破震動(dòng)，局部臺(tái)階邊坡存在大面積片幫塌落的可能，需對(duì)該區(qū)段的邊坡采取重點(diǎn)監(jiān)測(cè)控制。

2.4 安全開(kāi)采方案[4]

穿孔爆破：嚴(yán)格采空區(qū)穿爆管理、應(yīng)用數(shù)碼電子雷管技術(shù)、優(yōu)化爆破參數(shù)。

頂?shù)装寰S護(hù)：做好頂?shù)装逑锏乐ёo(hù)管理、做好采場(chǎng)邊坡塌落線(xiàn)管理、經(jīng)常維護(hù)排水系統(tǒng)。

邊坡維穩(wěn)：全員參與邊坡安全監(jiān)測(cè)，提前做好水害防治措施，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)西邊幫4線(xiàn)以北區(qū)域?？刂频乇韽搅鳎诼短觳蓤?chǎng)每隔24 m即兩個(gè)平臺(tái)高度修建明渠；在兵溝口已新建涵洞，對(duì)原涵洞(箭桿溝口)進(jìn)行加固。

3 應(yīng)用效果

本研究成果2020年起在廟溝鐵礦得到初步應(yīng)用，使礦山獲得年經(jīng)濟(jì)效益5 809.60萬(wàn)元，預(yù)計(jì)未來(lái)兩年內(nèi)可獲得經(jīng)濟(jì)效益19 223.19萬(wàn)元，累計(jì)獲得經(jīng)濟(jì)效益(純利潤(rùn))2.5億元，還獲生態(tài)效益、安全效益及社會(huì)效益。

4 研究存在問(wèn)題

本次研究不足方面，對(duì)采空區(qū)上覆邊坡及巖體自穩(wěn)能力評(píng)估只用二維模擬分析，今后最為理想的研究方向，是運(yùn)用三維有限元法對(duì)掛幫礦開(kāi)采前后邊坡變形進(jìn)行模擬分析，以便于準(zhǔn)確定量模擬分析采空區(qū)上覆風(fēng)化邊坡及巖體變形機(jī)理，更專(zhuān)業(yè)地進(jìn)行采空區(qū)上覆邊坡巖體自穩(wěn)能力評(píng)估，更科學(xué)地提出掛幫礦安全開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)方案。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)施運(yùn)用本研究成果提出的安全開(kāi)采方案，使礦山2020年獲得5 809.60萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)獲得環(huán)境生態(tài)效益、安全效益和社會(huì)效益。初步實(shí)現(xiàn)露天轉(zhuǎn)地下無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采條件下露天邊坡有序塌落；避免“由于回采方法不當(dāng)，導(dǎo)致大部分掛幫礦形成覆蓋層，造成一定周期內(nèi)維持企業(yè)簡(jiǎn)單及重復(fù)再生產(chǎn)資金大量積壓”；避免地下投產(chǎn)后無(wú)底柱分段崩落開(kāi)采掛幫礦形成大面積空區(qū)后回采困難”；實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)同步，即資源回采與生態(tài)修復(fù)同步、掛幫礦開(kāi)采與邊坡維穩(wěn)同步。該技術(shù)成果及其應(yīng)用效果樹(shù)立了露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采礦山過(guò)渡期掛幫礦安全開(kāi)采典范，具有廣闊的推廣前景和應(yīng)用價(jià)值，可以為我國(guó)其他露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采礦山提供技術(shù)支撐。